JP3802832B2 - 電気アーク溶接機を制御するための装置及び方法 - Google Patents
電気アーク溶接機を制御するための装置及び方法 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電気アーク溶接技術に関し、さらに詳しくは溶接加工の間、電源を制御するための改良された装置および方法に関するものである。
【0002】
【従来技術とその課題】
電気アーク溶接において、インバータやチョッパのような高速切換型電源を用いることが通常であり、電源の出力電流は電源フィードバックを含む高速制御ループによって調整される。平均アーク電圧を基準電圧と比較して、電流コマンドを生じるための外部制御ループがある。電源への電流コマンド信号は、この外部制御ループによって直接制御されることがある。したがって、内部高速制御は電流フィードバックに基づき、平均電圧を保つように調整される。内部高速制御ループはインバータの周波数に近い周波数で働く。外部電圧制御ループは高速切換電源の約1/10の周波数で働く。さらに、外部ループは高速内部ループで使われる実際の電流に関係なく作動する。したがって、低電流作動で、アーク電流は低くなりすぎて、アークを消滅させる。アルミニウムGMAWの溶接は高溶接率を保つためにさらに精密な制御を要する。こうして、高速電源の出力電流を制御することは、外部ループが比較的遅い反応時間をもつため、しばしば電流オーバーシュートを伴う。フィードバックが平均電圧にある短絡・パルス溶接において完全な溶接サイクルは外部ループに比較的遅い反応時間を生じさせながら処理されなければならない。制御ループは平均電圧を短絡溶接において長い時間ゼロ電圧近くに補償すべく保つため、減速させられる。こうして制御ループは非常に遅くなり、アーク長さが変えられる。これに伴い、電流は大幅に変えられてアーク長さを所定の制御電圧まで駆動する。これにより2つの問題が生じる。低電流短絡溶接において、背景電流はすでにとても低いので、電流振動により電流が低くなりすぎ、アークを消滅させる。これは特に、各短絡が終わった直後に顕著である。電流が背景レベルまで下がるので、制御電圧装置はオーバーシュートし、電流を低くしすぎて、アークを消す。これは各溶接サイクルに起こるので、高価な補正手続が取られない限り、アークが間欠的に消える。こうして、低電流での溶接は短絡モードにおいて通常きわめて困難である。アルミニウムを溶接するとき、アーク長さの速い変化により溶接加工が間欠的に混乱し、溶接ビーズの均一性を損なう。
【0003】
【課題を解決するための手段】
上記のような遅い外部ループを用いることに伴う問題は、内部高速ループのみを用いる本発明によって克服されてきた。これは検知されたアーク電流およびアーク電圧の双方を利用することにより、電流×電圧、すなわち電力を表すフィードバック信号を生じることで可能になる。本質的に、電気アーク溶接はスプレー・パルス・交流溶接であれ、所定電力によって制御される実際のアーク電力をもつ。このため、検知電流・電圧の双方が使われる。過去、アーク電圧によって遅い反応時間で外部ループを制御した。内部ループは単に電流反応フィードバック装置で、デジタル誤差アンプがパルス幅変調器への入力を調整して、高速電源を駆動していた。実際の出力電流と電圧フィードバック信号の積を利用して、実際の電力が検知される。信号Pが波形形成器で作られた所定電力と比較される。これにより、出力電流が実際の電力を所定電力に等しくさせるように変化する。これは一般に外部ループ制御の10倍速い速度で行われる。フィードバック信号を使うことにより、アーク長さは自動調整され、速い反応時間によって電流のオーバーシュートが防止される。
【0004】
本発明によれば、電圧と電流の積Pに因子kが掛けられる。この積kPは高速コントローラに導入され、溶接サイクルの時間位置に較正された設定値にアーク電力を保つ。遅い外部ループ制御は、もはや必要でない。溶接電流は高速ループに導入された電圧・電流双方に依存する。好ましくは、フィードバック信号はアーク電圧×アーク電流のみからなる。これはアーク電力Pである。これはkによって修正される。この因子kはワイヤ供給速度を補償するために使われる。このフィードバック信号はkPであるが、kは通常1.0である。
【0005】
さらに本発明の他の面によれば、アーク電力Pは波形形成器からの電力信号と比較するためのフィードバック信号である。波形形成器は特にアーク状態の間、電力波形を生じる。たとえば、STTのような短絡溶接が行われるとき、波形形成器は短絡が破れてアークが再開した後に生じる所定のアーク電力を供給する。パルス溶接のとき、波形形成器はピークアーク電力を生じ、次に電力フィードバック信号kPと比較するために背景アーク電力を生じる。交流溶接では、正極性の間、所定アーク電力が生じて正極性の電力フィードバック信号kPと比較される。同様に、負極性の間、所定アーク電力が生じて負極性の電力フィードバック信号kPと比較される。もちろん、アルミニウム溶接で使われるように、正極性の間の電力は負極性の間の電力とは大いに異なる。要するに、電力信号が与えられ、電力フィードバック信号kPが検知される。この2つのパラメータが比較され、高速電源からの電流を制御する。もちろん、一定電力信号Pset が内部ループを制御し、電力フィードバック信号kPとの比較に使われるとき、スプレー溶接の間、波形形成器は不要である。こうして、本発明は第一に低電流溶接ができるという利点を有している。
【0006】
電力フィードバック信号kPは、検知電圧・電流の関係であり、乗数あるいは因子kは定数または変数である。実施例では、kは定数1.0なのでフィードバック信号は単にアーク電力である。この電力フィードバック信号は所定のアーク電力と比較され、電源の出力電流を制御する。kは定数、あるいは1次関数や他の関数である。この因子kは、実際の電圧や電流に依存し、ワイヤ供給速度・シールドガス・ワイヤ直径・ワイヤ材料等のようなパラメータを補償するようにフィードバック信号を修正する。kは、アルミニウムMIG溶接に使われるドルーパー機に傾斜を与えるため、電流+(電圧/(電流×電圧))となることがわかった。この因子kが電流と電圧の間に線形関係を生じて、傾斜作動曲線を与える。kは電圧と電流の間に特定の関係を生じるため、どんな値も取り得る。しかし実際には、フィードバック信号はアーク電力である。このアーク電力信号は、所定のアーク電力と比較される。電力をある設定値に制御することの利点は、電力がインバータの高速切換速度で調整され得るという事実に基づいている。アーク長さのいかなる変化も、アーク力の変化となって、平衡を保つためアーク長さを増したり減らしたりする。たとえば、アーク電力が2,000Wに設定されると、20Vおよび100Aのとき平衡が得られる。これにより所定アーク長さが得られる。アーク長さを増すなら、出力電力は2,000Wに保たれる。しかし、電圧はたとえば22Vのように増す。これにより、電流は91Aのように低下する。それにより、アーク力が減り、アーク長さが減る。これにより、電圧が20Vにもどり、電流が100Aに増す。同様に、アーク長さを減らすなら、出力電力は固定の2,000Wに保たれる。したがって、電圧は減る。これにより、電流が増す。それにより、アーク力が増し、アーク長さが増す。したがって、短絡アーク長さが増し、2000W制御電力値を生じるため、電流と電圧が平衡を求める。本発明を用いるアーク長さ変動は最小限である。速い安定性が保たれる。電源がアーク長さ変化に素早く反応するので、電流は少しだけ変動して低アーク長さを保つ。この利点は特に各短絡直後に顕著である。コントローラが平衡を素早く求め、突然の短絡クリア後でさえ、平衡を保つ。
【0007】
アルミニウムGMAW溶接で公知なように、ワイヤの低抵抗と低溶融温度のため、アーク長さは一層制御困難である。本発明によって得られるように、アーク長さの素早い制御により、アルミニウム溶接のときでさえ、電源にアーク長さを一定に保つようにさせる。したがって、ワイヤ突出部が急速に変化しても、アーク長さは一定に保たれる。
本発明は一定アーク電力をもつ溶接と同様、パルス溶接にも適用できる。パルス溶接において、ピーク電力と背景電力双方の高速制御が得られる。過去、パルス溶接は周波数変化にもとづく適用ループによってアーク長さが決まる制御を伴っていた。したがって、フィードバック制御ループはパルス当り1回しか作動しないので、計算をして次のパルスに対し補正がなされた。本発明はこの問題を克服し、ピークと背景の間、電力を制御するだけである。これは調整的でない。パルス溶接のピークと背景期間にアーク長さを一定に保つことの利点を得るために、リアルタイムに電力を制御する。本発明によってパルス溶接は、従来の調整的コントローラによるよりも早く、アーク長さを自己制御できる。背景期間の低電流を制御することにより、突然の変化に対応する電源の順応性を改善する。
【0008】
また本発明は、GMAW、FCAW、SAW、MCAW、SMAWのような混合極性溶接に対しても適用できることがわかった。これらすべては、フィードバック信号kPによって調整できる。たとえば、方形波交流溶接が必要なら、波形形成器により所定の正・負のアーク電力を供給する。
異なる値の高速制御により、正・負パルスの間、アーク長さを素早く制御する。標準溶接によれば、正電力の大きさは負電力のそれとは異なる。波形とその時間が変わるが、波形制御は電力プロファイルにもとづき、その電力プロファイルは実際の電力フィードバック信号kPと比較されてアーク電力を所定プロファイルに保つ。この電力プロファイルはアナログ、好ましくはデジタル波形形成器によって出力される。波形形成器は交流溶接のすべての位置でアーク電力を制御するため、所定電力プロファイルを生じる。
【0009】
本発明によれば、高速制御に対するフィードバック信号はアーク電力である。これは検知アーク電圧・電流の積である。フィードバック信号を修正するため、因子kを用いる。kは0.5〜1.0の変数であり得る。上述したように、k=1.0が好ましい。電圧が変化すると、電源への電流制御信号が変化して、アーク電力を一定に保つ。因子kを使うことにより、電流と電圧の関係を変化させる柔軟性が与えられるが、フィードバック信号の電力プロファイルは変えない。こうして、本発明でフィードバック「電力」信号というとき、それは通常電流×電圧、すなわちPであるが、因子を乗じたkPであり得る。実際、フィードバック信号はkPで、信号が実際のアーク電力Pのときk=1.0である。こうして、本発明ではkPとして電力を表す。傾斜作動特性を生じさせるため、kは電圧+(電流/電圧)×電流であり得る。また、aVarc +bIarc +c(ここでa,b,cは定数)のような1次式にkPを表せる。このkをPに乗じるとき、フィードバック信号はアーク電圧・電流である。このフィードバック信号は所定電力信号と比較され、素早い電源の反応を得る。kはワイヤ供給速度に依存して変わる。たとえば、kは150/ワイヤ供給速度なので、ワイヤが300インチ/分で供給されればk=0.5である。こうして、フィードバック信号を修正するために、ワイヤ供給速度が使われる。またkは、シールドガスや移動速度あるいは電圧自身にもとづいても変わる。kが時間にもとづくとき、フィードバック信号はジュールで表される。電圧がkであるとき、フィードバック信号はIV2である。他の可能性も使い得るが、基本のフィードバック信号がアーク電圧×アーク電流である。因子kはさまざまな溶接変数やその組合せによって修正され得る。それらの変数は移動速度、ワイヤ供給速度、電圧、電流、時間、ガス混合物、実際の電極突出、ワイヤ径、インダクタンス等である。
【0010】
本発明によれば、電気アーク溶接機用の制御装置が供給される。実施例では、電極は溶接ワイヤであり、モータで制御される速度でアーク内に供給される。この装置はインバータやチョッパのような高速切換型電源からなる。この電源は10kHz以上の切換周波数をもち、電源の出力電流を調整する入力電流信号をもつコントローラによって制御される。コントローラは電源の周波数よりも速く作動するが、切換周波数で制御する。第1センサがアーク電圧を検知し、第2センサがアーク電流を検知する。第1回路が供給されて所定のリアルタイム電力を表す信号を生じる。実施例では、この電力信号は波形形成器によって作られる。スプレー溶接では、電源は所定アーク電力の固定値である。制御装置を完成させるため、第2回路が第2電圧・電流の関数を発生させ、アーク電力を制御する2つのアーク・パラメータの関数を与える。したがって、第3回路が所定電力信号と実際の電圧・電流の関数との差に従って、電源への電流制御信号を調整するために使われる。この関数はフィードバック信号kPで、所定の電力信号と比較され、アーク電力が所定値に保たれる。これにより、アーク長さの平衡が得られる。短絡回路を含むなら、電源は電流フィードバックモードで作動する。その後で、フィードバック信号kPによって制御される。kPは、k=1.0で電圧×電流になることが好ましい。しかし、k≠1の値も採り得る。フィードバック電力信号は好ましくはVa×Iaであり、k=1.0である。
【0011】
本発明の他の面によれば、全回路がデジタル回路でデジタル信号プロセッサによって作動する。しかし、本発明の範囲から逸脱せずにアナログ回路・部品を使い得る。高速切換型電源は10kHzよりも高い周波数、好ましくは18kHzよりも高い周波数で作動するインバータが好ましい。もちろん、チョッパは高速切換を有し、信号kPによって制御される高速内部制御ループをもつ。好ましくは、第1デジタル回路は波形形成器で、溶接サイクルのすべての時に所定電力値に合う電力プロファイルを出力する。
【0012】
本発明はいろいろな溶接プロセスを用いて実施される。固定電力をもつなら、本発明は波形形成器を要さない。パルス溶接や交流溶接のような変動電力サイクルは、kPによって制御され、所定アーク電力を出力するための素子を採用する。短絡溶接を実施するとき、電流制御が行われ、アーク状態でkPが使われる。デジタル誤差アンプによって実際のアーク電力と所定アーク電力の比較がなされ、その出力信号によってパルス幅変調器を制御して、電源の出力電流を調整する。他の実施は当業技術の範囲内にある。
【0013】
本発明の他の面によれば、kPがワイヤ供給速度を調整するためのフィードバック信号として使われる。ワイヤ供給速度の変化によって所定アーク電力を調整するため、アーク長さが変化する。また、本発明によれば、出力電流・電圧を検知し、電力信号を作り、アーク電力を表すリアルタイムのフィードバック信号kPを作り、電力信号と信号kPを比較することにより電源への入力信号を調整することによって、電気アーク溶接機を制御する方法が提供される。ここで電圧が減ると電流が増え、またその逆も生じる。この方法は、高速制御ループで実施されるさまざまなアナログおよびデジタル制御回路によって行われる。
【0014】
本発明の他の面によれば、PあるいはkPはワイヤ供給速度のようなパラメータによって修正される。本発明の主な目的は、電力フィードバック信号kPを用いて所定アーク電力を保つため、電気アーク溶接機の高速切換電源を制御するための装置および方法を提供することにある。より広い目的は、溶接パラメータを制御するための信号kPを作ることである。本発明の他の目的は、アーク長さを安定させ、特に低電流でアルミニウムを溶接するとき、電流のオーバーシュートを減らす上記装置および方法を提供することにある。さらに他の目的は、電気アーク溶接機の制御装置を大幅に修正することなく、標準溶接技術を使って容易に実施できる上記装置および方法を提供することにある。これらおよび他の目的と利点は、以下の添付図面を用いた説明から明らかになるであろう。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いるがこれは本発明の具体例を説明するためだけの目的で、これと同一の内容に本発明を限定する目的ではない。図1に、高速切換型電源10(図ではインバータであるが、チョッパでもよい)を用いて所定の溶接を行う溶接機Aを示す。標準技術によれば、電源の切換周波数は10kHzを超え、好ましくは18kHzを超える。インバータ10は3相整流器12から直流リンクにわたって入力リード14,16の形で電力を供給される。出力トランス20は中心タップ2次巻線22を有し、出力整流器24を駆動して出力回路30(工作物36とアークギャップを形成する電極34とインダクタ32からなる)で溶接を行わせる。
【0016】
実際には、電極34は供給スプールから工作物36に向かって前進する溶接ワイヤである。ワイヤフィーダは図13に示してある。標準技術によれば、コントローラCは一般に約10kHzで作動するオッシレータ42によって駆動されるパルス幅変調器40を用いるデジタルプロセッサである。デジタル誤差アンプ44は波形形成器50の出力によって決まる電圧値をもつ第1入力46を有する。入力46の信号はアーク状態の間、波形形成器50によって形成される電力プロファイルである。本発明によれば、入力46の電力信号が誤差アンプ44によって入力52のフィードバック信号と比較されるので、ライン44a上の誤差信号がライン48上の電流命令信号を調整する。こうして、電流命令信号がライン52上のフィードバック信号(関数)kPとライン46上の所定電力値との関係によって制御される。ライン48上の電流信号は入力46、52の関係によって調整され、アーク電流を直ちに変える。入力46の電力値はデジタル波形形成器50によって生じる。スプレー溶接では入力46の値は一定である。しかし、パルス溶接や交流溶接では入力46の電力信号は所定のリアルタイム・アーク電力を示すために変化する。これはアーク状態で生じる。こうして、溶接サイクルの間、ライン46上の値はリアルタイムで変わる。
【0017】
本発明によれば、溶接機10に対する高速制御ループが、遅い外部制御ループを排して使われる。これは図1のように電流・電圧の双方が内部制御ループで使われるので、実現できる。ライン52上のフィードバック信号kPはフィードバック回路FBから得られる。本発明によれば、信号アーク電力Pはアーク電力kPの関数として表される。この関数はアーク電圧・電流と所定電力との瞬間比較を伴う。アーク電流を得るために、シャント60が電流信号をライン62に生じる。この信号Iaは瞬間アーク電流である。同様に、瞬間アーク電圧Vaがセンサ70から出力ライン72に与えられる。関数発生器100がライン62、72の各信号の値を乗じて、アーク電力Pである積を生じる。後述するように、アーク電力Pは定数あるいは変数である因子kを乗じられる。こうして、電力フィードバック信号はPあるいはkPである。kPとして表すとき、アーク電力Pはk=1.0のときである。
【0018】
溶接プロセスにおいて、しばしば短絡、すなわちアークのない溶接サイクル部分がある。そのときには、関数発生器100からのアーク電力を使う必要がない。アークの存在を決めるため、多くの回路が知られている。そのような回路として図1にアーク検出器102を例示する。ライン72のアーク電圧は閾値と比較され、アークを検出するためアーク電圧が増すとき、特定論理(信号)が出力102aに現れる。ライン72の低い値は短絡を意味する。短絡の間、フィードバック信号kPは使う必要がない。アークがないとき、すなわち短絡のときライン112に値を出力するデジタルスイッチ110を、ライン102aの論理によって制御する。そのとき、ライン62の検知アーク電流がスイッチ110を通って誤差アンプ44の入力52に導かれる。したがって、アークのないとき、コントローラCはアーク電流Iaのフィードバックに基づいて作動する。短絡の間、電流命令信号がライン46で使われ、ライン102aを用いて波形形成器50を電流制限モードに移す。アーク状態の間、関数発生器100はスイッチ110を通ってライン52に信号kPを形成する信号をライン114に供給する。信号kPはアーク電力フィードバック信号である。アーク電力がライン46に与えられるので、ライン46、52上の信号レベルの比較によりライン48に電流命令信号が決定される。因子kは1.0である。こうして、アーク電力kPはライン52の信号で、アーク状態の間の所定アーク電力は波形形成器50からライン46に出力される。内部高速ループがアーク電力kPを検知し、それを所定電力と比較して、直ちに溶接電流の高速較正を行う。
【0019】
電流・電圧間の関係は、因子kの値によって決まる。図2で、因子k=I+V/IV(Iは電流、Vは電圧)である。したがって、入力52に導かれるライン114の電力信号は、図2で直線120に示すような傾斜を与える電圧×電流である。実際にはk=1.0なので、ライン52の信号はアーク電流×アーク電圧によって得られるアーク電力Pである。図3は、k=1.0の場合のアーク電流・電圧の関係を示している。所定電力はカーブ130のような2,000Wか、あるいはグラフ132のような4,000Wである。図2及び図3R>3は、図1のフィードバック回路FBにおける電流・電圧の関係を制御するために、因子kがさまざまな値を取り得ることを表している。図4は、一定電力溶接操作による本発明の操作を示している。これはパルス溶接におけるパルスの一定ピーク電力、あるいは短絡溶接における一定背景電力である。この場合、kPは所定値と比較され、k=1.0である。それは実際には、スプレー溶接における所定固定電力である。図4のレベルにライン46の所定電力が保たれている間、アーク長さの各変化によりグラフ142のようにアーク電圧が変わる。電源10の切換時間内に、ライン48の電流命令信号が調整され、アーク電力を直線140の設定値に保つ。内部高速制御ループは切換周波数で作動する。それは従来技術の遅い、適用型ループではない。こうして、アーク長さが減ると、電圧が減り、電流が直ちに増す。これによりアーク力が急増し、アーク長さが増す。kPが電力をライン46の値に保つ。アーク長さが増すと、電圧が増し、電流が直ちに減ってアーク力を減らし、アーク長さを減らす。したがって、本発明はフィードバック信号kPを使って所定アーク電力と比較して速やかに平衡に達し、所定アーク長さを保つ。これは低電流操作やアルミニウムGMAW溶接のとき、特に重要である。
【0020】
図5に短絡溶接に対する本発明の実施を示す。ここで、アーク状態での電力信号をグラフ150で示す。これは、カーブ152のような電圧に従ってグラフ154のような電流を制御するために用いられる波形形成器の出力である。アーク検出器102によってアークの存在が検出されると、スイッチ110がライン52に信号kPを生じる。時刻t1で短絡状態になる。溶融金属ビーズが工作物に触れるとアーク検出器102によってスイッチ110を動かし、入力52に電流のみを生じさせる。ライン102aの論理によって波形形成器50が電流制御モードに移る。図5のグラフ150の部分160はそれを示している。このとき、電圧は部分162のように低下する。また電流は部分164のように上昇する。時刻t2で短絡が破れると、ライン46の信号は再び所定電力であり、部分150aのように低下する。こうして、遷移部152aの電圧と同部154aの電流の積は所定電力レベルに従う。この遷移部は時刻t3で終わる。アーク状態が再び現れ、実際のアーク電力kPをグラフ150の所定アーク電力と比較することにより溶接機10が運転される。このプロセスは各短絡サイクルの間、くり返される。STT短絡のような他のタイプの短絡溶接も溶接機10によって行われ得る。
【0021】
図6、図7及び図8にパルス溶接に対する本発明の実施を示す。機能的に等価な部品は図1と同じ符号である。波形形成器200はパルス溶接の所定電力に対応した電力プロフ ァイル202を生じる。電力プロファイル202を図7に、さらに詳しくは図8に示す。これを所定のプロファイルに保つため、図7の電圧グラフ210と電流カーブ212が関数発生器100で掛け合わされ、誤差アンプ44の入力46にアーク・プロファイルを生じる。図8の電力プロファイル202は上昇部202aとピーク部202bを有する。その後、減衰部202cを経て、点202dでターゲット電力に達する。その後、背景部202eに移り、次のパルスの上昇部202aを待つ。本発明によれば、電力プロファイル202によりパルス溶接の各部でアーク電力が制御される。実際には、上昇部202aと指数関数的減衰部202cは時々電圧あるいは電流によって制御されるが、ピーク部202bで背景部202eの各固定電力レベルはフィードバック信号kPを波形形成器200からの所定電力と比較することによって制御される。パルスサイクルの全部分は電力プロファイルによって制御されることが好ましい。しかし、ある修正においては、選択したアーク部は電力によって制御されるが、残りの部分は電流や電圧によって制御される。本発明の態様では、パルス圧縮部202a・202b・202cは電流制御に移る。そして背景部202eのみが、kPと所定アーク電力との比較によって制御される。
【0022】
本発明はすべてのタイプの電気アーク溶接ではないにしても、たいていのものに使用される。図9に交流溶接モードで運転される溶接機Bの例を示し、図1010及び図11に操作グラフを示す。電気アーク溶接機Bは図1と同様の基本構造を有し、機能的に同等の部品は同じ符号を有している。出力2次巻線22は順方向整流器24aと逆方向整流器24bを駆動する。電力は、それぞれ活性化ゲート220a,222aをもつ極性スイッチ220,222を通してアークに与えられる。モードが電力として表されている以外は、これが交流溶接における標準実施である。波形形成器240からのライン230上の一連のパルス230aにより、その周波数でスイッチ220・222を交互に切り換える。ゲート232は非一致ゲートなので、スイッチ220をスイッチ222と異なる回数操作させる。リンカーン電気社によって開発された技術によれば、溶接電流が100Aのように所定の低レベルまで下がったとき、スイッチ220・222が好ましく切り換えられる。これは本発明の一部をなさないが、高いアーク電流で極性反転を防ぐために用いられる技術である。波形形成器240は電力プロファイル260を成形し、デジタル誤差アンプ44の入力46に出力する。誤差アンプ44は出力44aをもち、パルス幅変調器40を駆動する。関数発生器100の出力はライン250上の信号kPである。交流操作に従い、ライン250上の電力の絶対値が使われる。この絶対値は変換回路252によって得られる。こうして図1010の電力プロファイル260が正の値のみをもつように得られる。正−負パルスの間、相対電力を制御するために、正パルス部262aの値が負パルス部262bの値よりも大きい。また正パルス部の方が負パルス部よりも持続時間が長い。すなわち、時刻t4〜t5の時間Tの方が、時刻t5 〜t4'の時間T'よりも大きい。電力レベルとタイミングは電力プロファイル260によって示される。図11はさらに詳細に示し、より高いアーク部262aは傾斜部262cに沿って減少し、時刻t5で極性を変える。そして傾斜部262dに沿って上昇し、負パルス部262bとなる。こうして、各極性変化により電力の減少と増大を伴う。これにより、極性変化時に低電力を生じる。電力プロファイル260は、出力電流の極性を変える一連のパルス270aからなるグラフ270で示されるライン230上の信号と共同作用する。実際の電力は正部272aと負部272bからなるグラフ272で示される。実際の電圧は正部274aと負部274bからなるグラフ274で示され、実際の電流は正部276aと負部276bからなるグラフ276で示される。このように、切換は低電力で生じる。図9〜図11は、多様性を示すため交流溶接に本発明を用いることを説明している。
【0023】
図1、図6及び図9に示すように、誤差アンプ44への入力は波形形成器の出力である必要はない。図12で誤差アンプ44の入力300は所定電力レベルに設定した値Pset を有する。この値が誤差アンプ44でライン52の信号kPと比較され、ライン48に電流命令信号の変化をもたらし、アーク電圧を変化させる。図9はその最も簡単な場合の構成を示している。一つの変形例を図13に示す。信号kPはフィードバックである。波形形成器310からの所定電力が誤差アンプ314への入力に加えられる。この設定電力がライン52の信号kPと比較される。その出力316がワイヤフィーダのマイクロプロセッサ320を制御する。すなわち、ワイヤ供給モータ322の速度を制御してワイヤフィーダ324を駆動し、溶接ワイヤをスプール330から工作物36に向かわせる。フィードバック信号kPを使うことにより、アーク長さを減らすために電圧が増すとき、ワイヤ供給速度が増す。電圧が減ると、ワイヤ供給速度が下がってアーク長さを補正する。この実施例は、溶接パラメータのフィードバック制御に対する信号kPの使用を説明している。
【0024】
図14・15に信号kPを使う他の実施例を示す。300は図12のように、所定のアーク電力である。そのレベルは調整可能、あるいは波形形成器の出力でもあり得る。図14で関数発生器100からの信号kPは、ワイヤ供給速度ノブ352からライン350に出力される信号によって修正される。この回路は溶接機A、Bあるいそれらの変形とともに用いられる。図15で、電極移動速度ノブ362からライン360に出力された信号によって、信号kPが修正される。他の手段による信号kPの修正も溶接制御に用いられる。
【0025】
図16で溶接機Aは図1の部材を有し、同じ符号を振られている。アーク検出器102がライン102aの論理を制御し、電極34と工作物36の間にアークがある間のみ、波形形成器400によって命令電力プロファイル402が出力される。アーク電流・電圧がコントローラCに導かれ、回路410によって掛け合わされる。その出力410aが因子kを乗じられ、ライン52にフィードバック信号(関数)kPを生じる。これがフィードバック電力信号で、1.0に等しい因子kを伴う。こうして、実際のアーク電力を示す信号がライン52に現れる。これがライン46の所定アーク電力と比較され、アーク電圧の変化を伴って電流を直ちに制御する。したがって、アーク電力は一定値、あるいは平衡アーク長さを伴う所定値に保たれる。フィードバック信号kPを用いる本発明の他の実施は、電気アーク溶接分野における当業者には明らかである。
【0026】
以上の説明で、アナログ部品の使用は本発明の好ましい態様を説明するためのものであるが、実際には、それらの部品はデジタル値をもつソフトウエア・プログラム、あるいはアナログとデジタルの組合せである。アーク値のフィードバックはアナログ−デジタル変換器によってデジタル化される。それらの設計のすべては、溶接分野で公知である。波形形成器はデジタルで、本発明の実施においてはマイクロプロセッサ内にある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一態様を説明するためのブロック回路図。
【図2】図1の態様において、kが1次式で表されるときの電圧/電流の関係を示すグラフ。
【図3】図1の態様においてk=1.0のときの図2のグラフ。
【図4】k=1.0で一定アーク電力のときの出力を示すグラフ。
【図5】短絡溶接に対するアーク状態を示すグラフ。
【図6】パルス溶接に対する本発明の一態様のブロック回路図。
【図7】図6の回路を使ったときの電流と電圧と電力を示すグラフ。
【図8】図7の破線囲み部の拡大グラフ。
【図9】交流溶接用に用いたときの本発明の一態様のブロック回路図。
【図10】図9の回路を使ったときの各波形を示すグラフ。
【図11】図10の一部拡大グラフ。
【図12】固定の所定アーク電力を伴う場合の一部ブロック回路図。
【図13】ワイヤ供給速度制御用フィードバック信号kPを用いる一部ブロック回路図。
【図14】信号kPがワイヤ供給速度によってモニターされる場合の一部ブロック回路図。
【図15】信号kPが電極移動速度によってモニターされる場合の一部ブロック回路図。
【図16】本発明の他の一態様を説明するためのブロック回路図。
【符号の説明】
A,B: 溶接機
C: コントローラ
10: 高速切換電源
20: 出力トランス
30: 出力回路
34: 電極
36: 工作物
40: パルス幅変調器
44: 誤差アンプ
50: 波形形成器
60: シャント
70: センサ
100: 関数発生器
102: アーク検出器
Ia: アーク電流
Va: アーク電圧
kP: フィードバック信号(関数)
k: 因子
Claims (26)
- 電極と工作物間で溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置であって、前記溶接加工がアーク状態である期間を少なくとも有した電気アーク溶接機の制御装置において、前記装置が、
高速スイッチングタイプの電源であって、この電源には、当該電源の出力電流を調節するための電流制御信号が入力され、少なくとも10KHzのスイッチング周波数で動作するコントローラを具備する高速スイッチングタイプの電源と、
実際のアーク電圧を検出する第1のセンサと、
実際のアーク電流を検出する第2のセンサと、
前記溶接加工がアーク状態である間、所定のリアルタイムの電力レベルを表す電力プロファイル信号を発生させるための第1回路と、
リアルタイムに、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数を発生させる第2回路と、
リアルタイムに、前記電力プロファイル信号と、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数との差異に従って、前記電流制御信号を調整する第3回路と、
で構成したことを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。 - 前記関数が、前記実際の電圧と電流の積であることを特徴とする請求項1記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記関数が乗数を含むことを特徴とする請求項2記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記関数が定数である乗数を含むことを特徴とする請求項2記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記定数が1.0であることを特徴とする請求項4記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記関数が傾斜をなす乗数を含むことを特徴とする請求項2記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記乗数が電流と電圧/(電流×電圧)の和であることを特徴とする請求項6記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記第1回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項2記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記高速スイッチングタイプの電源が、インバータであることを特徴とする請求項1記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記第1回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項9記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記第1回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項1記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記波形形成器が、デジタル処理装置であることを特徴とする請求項11記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記溶接加工が、パルス溶接であることを特徴とする請求項11記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記第3回路が、誤差増幅器であることを特徴とする請求項1記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記電流制御信号に従って、前記電源の出力を調節するためのパルス幅変調器が設けられていることを特徴とする請求項1記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 電極と工作物間で溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置であって、前記装置が、
高速スイッチングタイプの電源であって、この電源には、当該電源の出力電流を調節す るための電流制御信号が入力され、18KHz以上のスイッチング周波数で動作するコントローラを具備する高速スイッチングタイプの電源と、
実際のアーク電圧を検出する第1のセンサと、
実際のアーク電流を検出する第2のセンサと、
前記溶接加工期間に、決められた所定のリアルタイムの電力レベルを表す電力信号を発生させるための第1回路と、
検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数を発生させる第2回路と、
リアルタイムに、前記電力信号と、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数との差異に従って、前記電流制御信号を調整する第3回路とからなり、
前記関数が、前記実際の電圧と電流の積であることを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。 - 前記高速スイッチングタイプの電源が、インバータであることを特徴とする請求項16記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記第1回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項17記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記波形形成器が、デジタル処理装置であることを特徴とする請求項18記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記第1回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項16記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前記期間の回数が、スイッチング周波数と同じであることを特徴とする請求項16記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 電極と工作物間に溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置であって、前記加工の一期間においてアーク期間を伴う電気アーク溶接機の制御装置において、前記装置が、
高速スイッチングタイプの電源であって、当該電源の出力電流が、入力信号の値により制御される高速スイッチングタイプの電源と、
前記アーク期間において、実際の出力電流を検出するセンサと、
前記アーク期間において、実際の出力電圧を検出するセンサと、
前記アーク期間の電力信号を発生させるための第1回路と、
前記アーク期間において、アークの電力を表すリアルタイムアーク信号を発生させる第2回路と、
前記電力信号と前記リアルタイムアーク信号とを比較することで、前記アーク期間において、前記入力信号を調節する第3回路と、
で構成したことを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。 - 前記アーク期間でないとき、電流信号を生成する回路と、前記アーク期間でないとき、前記電流信号と前記実際の出力電流とを比較することで、前記入力信号を調節する回路とを含むことを特徴とする請求項22記載の電気アーク溶接機の制御装置。
- 前進する溶接ワイヤと工作物間にアークをともなって溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置において、前記装置が、
入力信号の値により、前記溶接ワイヤの送給速度を制御するためのモータと、
実際の出力電流を検出するセンサと、
実際の出力電圧を検出するセンサと、
溶接中の溶接加工のための瞬間の電力信号を生成する第1回路と、
前記溶接中に、与えられた時間のアーク電力を表すリアルタイムアーク信号を生成する第2回路と、
前記瞬間の電力信号と前記リアルタイムアーク信号とを比較することで、前記入力信号を調節する第3回路と、
で構成したことを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。 - 電極と工作物間で溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御方法であ って、前記アーク溶接機が、高速スイッチングタイプの電源を具備し、この電源には、当該電源の出力電流を調節するための電流制御信号が入力され、少なくとも10KHzのスイッチング周波数で動作するコントローラを具備し、前記溶接加工は、アーク状態である期間とアーク状態でない期間とを含み、前記方法は、
(a)実際の瞬間アーク電圧を検出する工程と、
(b)実際の瞬間アーク電流を検出する工程と、
(c)前記溶接加工がアーク状態である間、所定のリアルタイムの電力レベルを表す電力プロファイル信号を発生させる工程と、
(d)リアルタイムに、検出された実際の瞬間電圧と検出された実際の瞬間電流との関数を発生させる工程と、
(e)リアルタイムに、前記電力プロファイル信号と、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数との差異に従って、前記電流制御信号を調整する工程と、
を含むことを特徴とする電気アーク溶接機の制御方法。 - 前記関数が、前記実際の電圧と電流の積であることを特徴とする請求項25記載の電気アーク溶接機の制御方法。
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